АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Инженерной кибернетики

 

 

Микропроцессорные комплексы в системах управления

 

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальностей 050702 – Автоматизация и управление

 

 

Алматы 2009

СОСТАВИТЕЛЬ: А.А.Копесбаева Микропроцессорные комплексы в системах управления. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальностей 050702 – Автоматизация и управление - Алматы: АИЭС, 2009 -   47 с.           

Настоящий конспект лекций включают в себя 15 конспектов лекций по дисциплине «Микропроцессорные комплексы в системах управления» в рамках основных дисциплин для специализации «Автоматизация и управление».

         Конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения специальностей 050702 – Автоматизация и управление.

             

         Лекция 1. Задачи и роль микропроцессорных контроллеров в системе управления исполнительными механизмами

        

         Для современных локальных систем автоматического регулирования и управления основным элементом является микропроцессорный контроллер.

В традиционном представлении на систему управления воздействуют Х_m  -входные воздействия от исполнительных механизмов ИМ, различные возмущающие факторы f_k не учтенные в системах управления, выходные величины объекта Yn измеряются датчиками. Задача микропроцессорной системы – принять сигнал от аналоговых ДА и дискретных ДД датчиков, а затем выработать выходной сигналы на исполнительные механизмы ИМ.

Рисунок 1- Локальная микропроцессорная система

 

         Микропроцессорная система должна работать в реальном масштабе времени. Для синхронизации элементов системы все устройства снабжены таймерами. Во временном отношении сигналы с аналоговых датчиков обрабатывается дольше всего. Количество аналоговых каналов ограничено, и их выбор определяется коммутатором. Распределение выходных управляющих аналоговых сигналов выполняет коммутатор ЦАП. Быстродействие центрального процессора управления ЦПУ может быть обеспечено устройствами прерываний.  Таким образом, задачи микропроцессоров:

   управление и регулирование;

   сбор и обработка технологических параметров;

   отображение и контроль данных;

   сигнализация и защита от аварийных ситуаций;

   диспетчеризация, архивирование и протоколирование.

Более сложные системы автоматизации решают те же задачи с большим количеством информации. Система локальной автоматизации является объектом управления для системы верхнего уровня. На современном рынке производства системами оперативного управления производственными процессами или MES системами называют системы, обеспечивающие эффективное исполнение в производственных операциях Оперативное управление обеспечивается и начинается с цехового (локального) уровня и заканчивается верхним уровнем ERPсистем. Для этого была создана международная ассоциация поставщиков решений для промышленных предприятий MESA (Manufacturing Enterprise Solution Association). MESA контролирует, регулирует и разрабатывает единые протоколы для решения следующих задач:

   распределение и контроль статуса ресурса

   диспетчеризация производственной задачи

   сбор данных и управление качеством

   управление технологическим обслуживанием

   анализ производительности

   составление производственного расписания

   контроль документов

   управление трудовыми ресурсами

   координация технических процессов и отслеживание готовой продукции.

Стандарт, по которому работает MES, - система ISA95. Он устанавливается для программных функций, физических  моделей, производственных мощностей, производственных и базисных процессов.

В соответствии с перечисленными задачами микропроцессорные контроллеры и системы можно разделить подобно тому, как разделяется АСУТП:

   информационно-управленческие системы

   системы сбора и обработки

   системы защиты

   системы тестирования и контроля

   SCADA – системы.

 

Лекция 2. Классификация микропроцессоров

 

            Существует множество критериев классификации микропроцессорных элементов. Приведем классификацию микропроцессорных элементов с точки зрения их использования в задачах автоматизации. История развития микропроцессоров такова, что их создание  было связано с проблемами использования их в задачах автоматизации. Однако развитие микропроцессоров в направлении улучшения их характеристик в задачах управления объектами в реальном масштабе времени привело к возникновению мощных вычислительных систем – персональных компьютеров. Всемирное развитие микропроцессорной техники в задачах управления относится к 90-м годам 20 века. Это развитие связано с повсеместным применением на рынке контроллеров Гарвардской архитектуры. Свободно программируемые контроллеры (СПЛК) предназначены для автоматизации различных областей производства. Это направление получило развитие еще с 70-х годов 20 века. В настоящий момент это направление развитие является наиболее распространенным.

 

Т а б л и ц а 1 -  Классификация микроконтроллеров

 

СПЛК	Гарвардская архитектура	Фон- Неймановская архитектура
1.Блочно-модульный принцип организации элементов 2.Ориентация на распределенные системы АСУТП 3.Обработка сложных форматов данных. 4.Развитый интерфейс пользователя 5.Совместимость с широким кругом программных продуктов 6.Развитая библиотека алгоритмов	1. Двухшинная организация команд и данных 2. Большой набор регистров 3. Раздельное адресное пространство команд и данных 4.Конвеерный тип выполнения команд 5.Высокие скорости выполнения команд 6. Небольшой набор инструкций 7. Два способа адресации	1.Одношинная организация команд и данных 2Традиционный набор регистров 3.Совместное адресное пространство команд и данных 4. Зависимость скорости выполнения команд от способа адресации и вида команды 5.Большой набор команд и способов адресации

 

 

         Современное состояние программно-технического комплекса микропроцессорных систем

 

         Современное состояние программно-технического комплекса микропроцессорных систем связано с бурным развитием информационных технологий. Практическое использование СПЛК  возможно только при наличии специализированного программного обеспечения, создания прикладных программ контроллеров. Вместе с тем, СПЛК работает в среде сложной системы программно-технических единиц. Для примера рассмотрим программные продукты, сопровождающие СПЛК фирмы  Siemens.

SIMATIC IT - это модульная система, состоящая из слаженно работающих программных компонентов для решения всех необходимых MES задач, описанных в стандарте ISA95.

Он состоит из следующих основных компонентов:

SIMATIC IT Production Suite - среда графического моделирования производства и набор компонентов для реализации базовых MES функций, описанных в стандарте S95.

SIMATIC IT Historian - система управления информацией, используемая для сбора, хранения и анализа производственных данных.

SIMATIC IT Unilab - система управления лабораторной информацией.

SIMATIC IT Interspec - система управления спецификациями продукции и цепочек поставок на уровне всего предприятия

Программно-технический комплекс СПЛК включает в себя:

   программируемые контроллеры;

   устройство децентрализованной периферии;

   устройства человеко-машинного интерфейса;

   промышленные сети;

   интегрированные системы управления непрерывными процессами;

   системы цифрового управления специфическими объектами;

   промышленные компьютеры;

   программное обеспечение для всех этих единиц.

 

         Лекция 3. Временные характеристики СПЛК и инструменты программирования ПЛК

 

Задачей прикладного программирования является только реализация алгоритма управления конкретной машиной. Опрос входов выходов контроллера осуществляется автоматически, вне зависимости от способа физического соединения. Это выполняет системное программное обеспечение

В качестве временной характеристики применяется время реакции и время опроса контроллера.

Время реакции – это время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции. Время реакции оказывается зависимым от числа одновременно обрабатываемых событий.

Время цикла опроса – параметрируемое время, исчисляемое от момента начала опроса входов до установки выходов. Постоянное значение для одной прикладной программы. Параметрируемый для конкретного контроллера  цикл опроса подразумевает, что программа содержит 1 Кб логических команд. При выборе контролера и оценки его быстродействия для грубой оценки используют показатель частоты и разрядности процессора.

 

 

Рисунок 2- Соотношения временных параметров контроллера

 

В производстве СПЛК необходимо выделить три аспекта:

   производство СПЛК;

   средства программирования;

   диспетчеризация систем.

Средства программирования должны обеспечивать обмен информации с диспетчерскими системами. Это достигается использованием протокола обмена данными OPC (OLE for Process Control), который позволяет согласовать все составляющие. Кроме того, известны протоколы обмена информации между различными СПЛК. СПЛК, объединяясь в сеть, образуют промышленную сеть Fieldbus. Вот некоторые из известных типов промышленных сетей: Bitbus, Motbus, Profibus, CANopen, Device Net.

Известна и другая технология разработчиков СПЛК: разработка только программных продуктов без технической поддержки. Примерами таких программных продуктов являются программные обеспечения CodeSys-3S – Smart-Software Solutions ( сайт 3S-software.com), Isagraph –CS International ( сайт Isagraph.com), MultiProg Knoepper und Wiege Software (сайт kw-software.de), Open PCS Infoteam Software GmbH (сайтinfoteam.de).

 

         Инструменты программирования ПЛК

 

         Текстовый редактор должен обеспечить быстрый ввод и автоматическое дополнение ввода, автоматическое объявление переменных, указание в разделе объявлений на функции назначения статуса переменной, автоматическую проверку синтаксиса, автоматическую нумерацию строк.

Графический редактор должен обеспечить автоматическое соединение компонентов графических элементов: блоков, контактов, катушек и т.д. Автоматическую расстановку компонентов, автоматическую нумерацию цепей, автоматическое редактирование групп элементов, масштабирование изображений, отображение в виде оживших тексов и рисунков.

Средства отладки должны обеспечить унифицированный механизм соединения СПЛК, управление программой в режиме реального времени, режим пошагового выполнения с точками остановок, изменение и контроль значения в режиме реального времени, архивирование и графическую трассировку переменных, визуализацию, анимацию и представление в виде виртуальных приборов.

Средства управления проектом выполняют автоматический вызов и настройку компонентов проекта, управление и настройку процессов компиляции, управление библиотеками, составление документации проекта; обеспечивают средства безопасности, поиск и замену, средства тестирования, экспорт и импорт.

 

         Лекция 4. Определение свободно программируемых логических контроллеров  - СПЛК

       

        Понятие СПЛК появилось более 30 лет назад и подразумевало изменение функций аппарата за счет изменения программ. Программа должна быть доступна пользователю, то есть инженеру по автоматизации   не требуется специальной подготовки по программированию.

        Контроллером называются аппаратные или программные устройства для контроля и управления различными операциями, другими аппаратами и комплексами. Контроллер может быть как самостоятельным устройством, так может входить в другое устройство. В автоматизации это понятие скорее подразумевает отдельное устройство. На настоящий момент СПЛК являются базовым компонентом автоматизации, а значит, производство СПЛК для компании по автоматизации является необходимостью.

       На нынешний момент лидерами производства, обслуживания и проектирования СПЛК являются:

        Micro Logix Allen-Bradley (Rockwell Automatic) (США).

        Schneider Electric   Twido  (Франция),

        Siemens (Германия),

         AВВ(Германия).

     Техническое и программное обеспечение СПЛК подчинено единым стандартом МЭК 61131-3. В этот стандарт входят стандарты, как по аппаратному, так и по программному обеспечению. Единым в этом стандарте является подход: аппаратное проектирование должно придерживаться принципов проектирования автоматизированных систем.